Увидел на выставке вооружений и военной техники вот такой прибор: http://www.sibai.ru/content/view/151/271/

Ну, понятное дело, "под хвостом" сразу засвербило - тоже такое хочу. Собрал вот такую схемку для измерения времени прохождения звукового импульса через воздух:






Работает так - возбуждаю датчик положительным импульсом длительностью 60 мкс. На приеме усиливаю, детектирую, фильтрую.

На выходе дает вот такое:

Голубой канал - перед детектором, желтый - на входе контроллера.

Однако на выходе выяснилось, что фронты "плавают". Че делать? Есть подозрение что примененные датчики плохи - мягкие мембраны дают "мягкое". И коричневое. Заказал парктроник "на запчасти", но он приедет толтько через три недели. Есть ли какой то способ определять то же самое но с моими датчиками? (такие датчики применил потому что они были "под рукой")

Да, чуть не забыл. На приеме компаратором ловлю оба фронта приемного импульса , и положительный и отрицательный. Складываю эти времена, делю пополам и получаю середину - вот ее и использую как искомое время.

Ух как все сложно-то

Как-то состряпал вот такую вещь, правда, до ума не довел - http://community.livejournal.com/ru_radio_electr/575454.html

Ага, видел. Но это не пойдет. Задача стоит так - определить температуру без термометра. Во. Точнее без именно датчика который должен выдавать значение температуры своего корпуса, которая более или менее соответствует окружающей температре.

Доплер - замечательно, и ежели я не смогу победить ту задачу которую я поставил, я применю какой нить DS1820, а собственно флюгер будет на Доплере.

А смысл? Вычислять температуру воздуха по скорости звука - это слишком, как мне кажется. Потому как она только в идеальных условиях зависит только от температуры. А давление, а влажность?



Это не совсем Доплер в классическом понимании. Тут сдвиг фазы (задержка сигнала) без изменения частоты.

Вы бы намекнули,что за датчик используете?Картинка очень странная.Её бы соотнести с вашим возбуждающим импульсом.Rst7 вообщето прав.И кроме давления и влажности есть ещё и ветер,а он ,совместно с давлением и влажностью,меняет плотность воздуха и,как следствие,скорость распространения ультразвука.Или звука Картинка появиласть только после отсылки текста.Схемка очень плоха.У вас вход опера по постоянке висит в воздухе.

2 Rst7

А как определялся сдвиг фаз в вашей конструкции?

2 Евгений Германович

Датчик - пьезоизлучатель, на фотке его видно. Мембрана пластиковая. Но он типа ультразвуковой.
Какая картинка странная?

Возбуждающий импульс - подаю 5В с контроллера. Импульс один, длительность 60 мкс. Такая длительность была выбрана по максимально "отдаче" излучателя. Видимо это частота собственного резонанса излучателя. Кстати на приемной стороне как раз и видно что заполнение "дыньки" как раз около 6 кГц.

Чем плохо висение в воздухе входа? Это может гадить на фронты? Как поправить схему? Подать пол питания с делителя через RCR-фильтр?
Кстати, может и выход надо нагрузить? Что то мне кажется что голый вход компаратора это плохая нагрузка.

Сильнее всего на скорость распространения влияет температура. Влажность и давление - очень незначительно. Формулы описывающие зависимости в литературе есть.

Напишу сразу, как должно быть (сейчас немного через (_*_), но принцип тот же). Да, и имейте в виду, там весьма сильно используются особенности периферии AVR.

0. Все датчики подключены на порт C. Первый на PC0/PC1, второй на PC2/PC3, третий на PC4/PC5.
1. Тактовая частота проца 10.24МГц.
2. Таймер 1 считает от 0 до 255 (используется режим CTC), итого частота переполнений 40кГц, равная резонансной частоте датчиков.
3. Программно синхронно с таймером дрыгаем ножками текущего передающего датчика, например, PC0/PC1. Т.е. делаем PC0=0,PC1=1 и через 128 тактов PC0=1,PC1=0 и через 128 тактов повторяем (опять же точно 40кГц, причем, синхронно с насчетом таймера).
4. Мультиплексор АЦП подключен к аналоговому компаратору, вторая ножка компаратора на земле.
5. Соответственно, одна из ножек текущего приемного датчика включена на ввод и через мультиплексор АЦП попадает на компаратор, вторая - включена на вывод и на земле.
6. Выход компаратора включен на Input Capture таймера (установкой бита ACSR_ACIC)
7. В коде, который дергает ножками, проверяется флаг наличия ICP, и если он установлен, то значение регистра ICR прибавляется к интегратору (с учетом возможной смены знака).
8. Все это дело крутится в цикле измерения для накопления. Я делал 1024 раза. При этом, предварительно выполняется 4000 холостых циклов (для того, чтобы полностью закончился переходный процесс в приемном и передающем датчике).

Тонкости заключаются в работе со знаком при накоплении. Т.к. изменение значения ICR из 0 в 255 - это на самом деле вычитание 1, а не прибавление 255. Именно для удобства выбрана тактовая 10.24 (но начиналось все с тактовой 10МГц и досчетом таймера до 250, вот там бубен некислый).

А ведь можно немного немного сдвигать фазу исходного сигнала и смотреть через какое время прошло изменение фазы на приемной стороне. И таким образом определять время прохождения сигнала от передатчика до приемника.
А гененрировать передаваемый сигнал таймером 0.

Сомнительно. Время будет сильно зависеть от добротности датчиков и изменения резонансных частот, намного сильнее, чем от скорости звука.

Ну и вообще, это не мой метод - много лишней электроники появляется

Вообще в потоке воздуха температура самого DS'а уравнивается за пять-десять минут. Неужели не устраивает?

На той выставке где я прибор увидел, я чуть чуть с передставителями фирмы пообщался. Мне флюгер давно интересен, потому что я не люблю одеваться жарко и не люблю мерзнуть, а ветер на улице очень влияет на то как одеться. И если температуру я посмотреть могу, то с актуальным ветром - полная глушь. До сих пор флюгер не сделал потому что в близкой доступности нет мех. обработки. Без нее нормальный флюгер не сделать. Можно конечно где то заказать, но это хлопотно, дорого и лениво. ВОт когда я увидел ультразвуковоую конструкцию - сразу же захотел, бо она "на коленке" вполне качественно может быть изготовлена.
Так вот. Эти самые представители очень акцентировали внимание на то, что их изделие измеряет именно температуру воздуха. Т.е. ему не страшны внешние и внутренние наводки, типа солнца и саморазогрева датчика. Поэтому захотелось все сразу в комплексе :-). Почему бы и нет, если в принципе достижимо?

Тогда сделайте термоанемометр...
Две проволочки. Одна на ветру. Два полумоста. Один 2-канальный внешний АЦП.
Или двойной мост, 2 ОУ + АЦП контроллера.
Но, в любом случае, некоторая механическая работа для защиты от птичек потребуется.

А термоанемометром направление ветра измерить? :-))

Прелесть исследуемого метода в том что получаем все и сразу. Правда для этого придется придется попотеть мозгом. ;-)

Чтобы правильно измерять направление, надобно жить в деревне и иметь мачту.... или мечту. Если имеется только последняя, то только мечтать.

Оба каскада сделаны не хорошо.1Уберите конденсатоы.2Эта схема вам не подойдет совсем.Опера вкл по схеме инвертирующего усилителя.Номиналы не рассмотрел,однако подобное вкл не блещет высоким входным сопротивлением.Сигнал очень странный.Желательно посмотреть его вместе со входным.Но есть вероятность того,что лучше не будет.У излучателей дальномеров,глубиномеров иная конструкция.В радио она была описана.

Имею хоть и в городе, но десятиэтажный дом. Преобладающей ближайшей округе высоты. Ну мачту еще метра 3 можно сгородить. Думаю вполне нормально будет.


2 Rst7

А вот еще несколько вопросов. Вот включил ты устройство. Сдвиг фазы всегда постоянный?
Т.е. каждое включение в неподвижном воздухе одной и той же температуры всегда дает один и тот же сдвиг фазы?
Один раз записали для этой температуры где "ноль" и все? Дальше считаем что если от этого нуля сдвинулось, есть ветер?

Ведь можно туды-сюды померить фазовый сдвиг, сложить, поделить пополам и получим скорость звука. А значит и температуру.
А скорость звука определим как расстояние между излучателями поделить на время, которое равно n*(2п+f) (или все же n*2п + f??). n-это сколько полных периодов укладывается в расстояние между датчиками. Очень грубо количество 2п можно померить изменяя резко фазу излучаемого сигнгала и смотреть когда измениться на приеме. А значение фазы в последнем периоде как раз и даст ту маленькую точную прибавочку.

Если возбуждать излучатель от Таймера 0, то фазу очень легко менять. OCR0A=phase, OCR0B=phase+0x80. Ну в прерывании понятно дергаем излучатель.

Это состояние называется "сферический конь в вакууме" В таком состоянии сдвиг фазы один и тот же.



Только гуляет он сильно. Например, от механической нестабильности несущей конструкции, от изменения резонансной частоты излучателя от температуры (походу, резонансная частота меняется даже от скорости набегающего потока, а раз меняется резонансная частота, меняется и фазовый сдвиг). Когда берется разность (для вычисления скорости ветра), эти вещи взаимно компенсируются, а если сложить - то они все вылезут наружу.



Дело в том, что надо еще обеспечить точность дергания ногами в один и тот же момент, т.е. джиттера быть не должно. С прерываниями Вы замучаетесь, проще уж прямым кодом, как у меня.

Ааааа!!! Старые знакомые!!! :-)





Отнюдь. Используя прерывания я как раз точно все и сформирую. Если в системе будет использоваться только два прерывания по OCR0A и OCR0B. Вход в прерывание вполне по тактам нормирован, а мне нужно только проследить что бы в самих обработчиках прерывания код был одинаковый. Так что думаю тут проблем с джиттером не будет, бо прерыванию может помешать только другое прерывание, а их нет. Зато! Я легко могу вертеть фазой исходногот сигнала. Ну и еще момент есть. "Прямокод" это для АСМа. А я от него уже отвык. :-)

А вот на приеме можно прерывание и не делать. Даже нужно не делать. В ICR1 информация сама запишется по событию, без моего участия. Мне остается только флаг контролировать. Так что пока не вижу причин для возникновения джиттера.

Да-да. Именно отнюдь.

Имеются команды одно, двух и трех тактные.
Переход на вектор прерывания происходит по окончании выполнения текущей команды. Отсюда разбег (в зависимости от используемых команд) будет составлять 1-2 такта, что видно даже в эмуляторе.
Но это не безнадежно, если принять специальные меры.

Сюда нужно добавить еще скорость и направление ветра итго 4 (если учитывать направление 5) переменных. Для того чтобы решить уравнение 4 переменных нужно иметь минимум 4 уравнения точнее 4 (идеинтичных) датчика на каждом из которых известно значение одного из определяемых параметров.
Померять с помощью одного датчика два или больше параметра среды невозможно. Кстати сдвиг по фазе и задержка по времени это всего одна сущность.

Например?




Да да. Я в курсе. Потому датчиков будет физически три (виртуально-шесть, они будут назначением (RX-TX) меняться). А потому задача все же сводится к определнию времени прохождения сигнала от одного датчика до другого. Это есть краеугольный камень всей конструкции. Решив эту проблему, все остальные решаются.
Влажность и давление планирую измерять дополнительными датчиками.

В таком случае вам нужно расширит полосу пропускания детектора. Это повысит крутизну фронтов. Если Дрожание фронтов превышает период несущей то остается толко цифровая фильтрация результата (например скользящее среднее десятков измерений). Иначе можно добавить в систему фазовый детектор и повысит разрешение до точности измерения сдвига фаз.

Этот метод сейчас и обдумываю. Потому и терроризирую уважаемого Rst7 и всех присутствующих всякими вопросами. :-)

Не хочу лишнее железо, нужно все по максимуму программно реализовывать.


Кстати можно перед прерыванием контроллер загонять в Sleep. Тогда прерывание всегда будет стартовать из одного и того же места.

- Генерировать непосредственно таймером на ноге
- не использовать в программе многотактные команды
- зайдя в прерывание считать TCNT и компенсировать ошибку
- построить программу так, чтобы прерывание происходило из конкретного куска или места. Но это должна быть тупая и глухая петля типа rjmp pc

Ага. И будет джиттер в один клок Из этих методов самые прямые - первый и третий.

На самом деле метод со sleep тоже имеет право на жизнь


И вполне без джиттера

Ещё один метод. (из радиолокации) На излучатель подавать линейно частотно модулированный сигнал. И измерять разностную частоту приемника и передатчика.

Вопрос к Rst7:
А какие приемо-передатчики использованы (от чего, где достать)?
Датчики как-то должны быть изолированы от крепления, ведь звук по металлу быстее распространяется или это исключено програмно?

Мы покупали готовые. Не совсем эти, но эти тоже пойдут - http://cbsie.dyndns.info/passive31-ultrasonic-sensors.pdf



Там конструкция самих датчиков такая, что через корпус нифига не идет.

Да уж, вменяемых цен на эти датчики в Украине не нашел, наверное дешевле будет сделать чашечный (хотя надежность конструкции пострадает)

Мы покупали по 7 баксов. Я думаю, датчики от китайского парктроника вполне сойдут.

Сегодня пришел парктроник. На выходных попробую. В мануале написано что у датчиков диаграмма 60 и 60.

2 Rst7

Были ли помехи на приемной стороне от работы передатчика?

В смысле?

Сразу говорю - конструкция антинаучная. УЗ датчики длинными проводами подключены к STK500 напрямую.

Желтый канал - передатчик, голубой - просто датчик висящий в воздухе подключен к осцилу.


Датчик лежит мордой на столе. Ловим только помехи.


Вот помеха покрупнее:


Это я одел на приемный провод большое ферритовое кольцо и в нем три витка приемного провода.


Видимо придется сразу на конечной плате отлаживаться. Что бы исключить всякий ливер по питанию и длинным проводам. "Поиграться на халяву" не выйдет.

Ну и соответственно вопрос. Принимались ли какие то меры по борьбе с помехами? Типа резистор параллельно для уменьшения добротности датчика, резистор последовательно для уменьшения скорости нарастания напряжения на датчике, фильтров и т.д.?

Я делал на макетке. Датчики подключал обрезками витой пары к лапкам проца. Так что игрался "на халяву".



Ставил резисторы параллельно датчикам (придавить мусор). Топологически они были между ножками проца. Если мне не изменяет память (сам девайс далеко) - то ли 10к, то ли 2.2к.

А как было организовано питание порта С? На AVDD питание напрямую подавалось или через RC?
Пытался навесить 1 кОм на ножки проца - особого эффекта не заметил. Думаю что наводка все же по длинным проводам. Буду укорачивать.

Напрямик.



Так а Вы тот датчик, к которому осциллограф подключен, нагрузили резистором? Для передачи, понятное дело, эти резисторы побоку.

Нет.

Вобще наверное затупил. На большом сопротивлении большие наводки. А нагружен датчик был только входом осцила.

Именно

Значица так. Прикрутил к ногам проца резюки по 4,7 кОм. Которые шунтируют датчики.

Конструкция такая: два датчика от парктроника. Подключены к PC0-РС1, РС2-РС3. Датчики зашунтированы резисторами по 4,7 кОм. Контроллер в прерывании генерит 40 кГц. Остальная программа состоит из одной строчки: PORTB.0=ACSR&(1<<ACO);
Т.е. тупо выводит в порт состояние компаратора, которое я и смотрю осцилом.

В результате получилось следующее:

Желтый канал - выход компаратора, голубой - возбуждение датчика.

Здесь немного меняю расстояние между приемником и передатчиком, что эквивалентно движению ветра. В этих пределах все нормально.





Но вот ежели я начинаю выходить за пределы этого диапазона, то начинается полная фигня. Смотрим первые картинки, представляем расположение и характер помех и понимаем что происходит:






А происходит следующее. В промежутке между "палками" стоящими в моментах переключения передатчика на приемнике все детектируется замечательно. А там где "палки", там понятно нормально не детектируется. "Полочки" на осциллограммах - это попытки осциллографа усреднить картинку по 8 отсчетам. Ну а фактически там просто дикие скачки фазы.

Визуально адекватно можно определять фазу принимаемого сигнала на участке ограниченном маркерами:




Причины явления думаю в следующем. Используемые мной датчики - "дубовые". Почему я так решил? Сравнительный анализ датчиков от Murata показывает, что гереметичные датчики имеют заметно меньшую чувствительность, по сравнению с открытыми, какие и использовал уважаемый Rst7 в своей конструкции. У парктроника датчики мало того что герметичные, так еще и китайские. :-) "Дубовость", имеет два конца. С одной стороны слабо излучается, с другой - плохо слышится. Что в данной конструкции требует во первых близко располагать датчики, во вторых более внимательно относиться к диаграмме направленности. В частности при расположении моих датчиков под углом 60* друг к другу они просто перестали взаимодействовать. Таким образом нужно использовать 4 датчика и в Мегу 48 (в "минималистическом" исполнении) я не укладываюсь. Просто по скудости порта С. Из-за дубовости датчиков имеем малое отношение сигнал/помеха. Это приводит к нечеткому срабатыванию компаратора из-за слабого сигнала на его входе и наличия сильных помех.

Думаю что в такой конфигурации устройство не работоспособно.

Планирую для каждого датчика использовать свой компаратор. Причем вынести его прямо к датчику. Сверху заэкранировать, а провода зафильтровать. Это минимизирует провода на которые может что то наводиться. К тому же отвяжет от порта С.

Что думаете?

Вы бы поигрались частотой возбуждения. Уверены, что датчики именно на 40кГц?

Поигрался. Несмотря на то что сам парктроник формирует пачки импульсов примерно в 38,5 кГц, датчики резонируют четко на 40 кГц (определил по дальности на которой датчики взаимодействовали при изменении частоты возбуждения)

Выход парктроника без датчика:




Выход парктроника с датчиком:




Сигнал на базе выходного транзистора:




Меж тем на датчике то 200 вольт... Понятно что мне столько не нужно, но все же...


З.Ы. 2 Rst7, а ведь у нас даты регистрации на этом форуме всего на 1 день отличаются :-)

Огласите конктретно, в каком состоянии ножки. Должно быть так: например, на PC0/PC1 - противофазный меандр, PC2 - на вывод (уровень лог. 0), PC3 - на ввод, аналоговый мультиплексор подключен к компаратору, выбран канал ADC3, а другой вывод компаратора (AIN0, он же PD6) должен быть на земле. Еще очень желательно при помощи регистра DIDR0 запретить цифровые входы, но это по желанию.

Да да. Все именно так:





А в прерываниях так:

Да. Вроде все правильно. Видать чувствительность действительно мала

используйте покупные подшипники, фольгированный стеклотекстолит и пайку , легкие листовые пластики и полимерный клей.
Подшипники тоже возможно крепить пайкой на самом деле для этой цели. Можно целиком взять компьютерный вентилятор, крыльчатку от него на оси... Короче, были бы руки...

Это банально. А потому - неинтересно. Для меня это очень важный момент, потому как проект делается для собственного удовольствия. :-)

Вот так выглядит сигнал при небольшом изменении расстояния между датчиками. Сначала было около 20 см, потом 5 см и меньше. Если датчики неподвижны, а просто направить струю воздуха, то эффект примерно такой же.

Видео с осциллографа

Вы бы не горячились про "гуанодатчики". Налицо большой оверхед в процедуре обработки прерывания по таймеру. С двух сторон от фронта/спада имеется мертвая зона, в которой значение пина, соответствующего компаратору не обновляется. Думаете, у меня зря там компаратор на ICP заведен? А так - все фурыкает. Хотя, сигнал малость слабоват (видно по тому, что меандр с компаратора не 50 на 50).

Для компенсации нецентральности срабатывания компаратора надо щупать оба изменения - и фронт, и спад. Как-то этот момент я у себя упустил, надо будет внести, если руки дойдут довести свой до ума. Конечно, этот момент потребует манипуляций на ходу с битом ICES1 в регистрах таймера.

Мдя... Точняк. Заменил в прерывании возбуждения PORTC^=0b00000011;
на:
#asm("sbi 0x08,0")
#asm("cbi 0x08,1")

Судя по асм листингу прерывание существенно сократилось.

Видео завтра выложу. Дрожание снизилось с 4 мкс до 2 мкс.... Явно это тормозит проц.

Так что надо мудрить все по настоящему - думаю в "тестовом" варианте более не увидеть, т.к. наблюдать сигнал достоверно не смогу из-за программного метода его получения. А вот капчится он должен хардварно, независимо от кода.

З.Ы. Датчики все же гуано. при 60* развороте друг друга чуют только на 2 см, а напрямую начинают примерно на 35 см. Так что, либо 4 датчика, либо усилять.